植草護坡混凝土最優配合比設計研究

馮姝麗

（法庫縣應急管理局，遼寧 法庫 110400）

植草混凝土能否發揮其植生效能的關鍵在于植物根系能否穿過孔隙并扎根于里層土壤，孔隙率過小則無法滿足植物生長需求，過大則其耐雨水沖刷能力較差難以保證生長[1]。因此，仍需進一步研究適于不同工程、植物、地區的植草混凝土孔隙率，并且要考慮到對強度以及植生性能的影響平衡。另外，在實際應用中植草混凝土必須符合草本植物的生長環境要求，所以降堿處理也是一項重要研究內容，而現有的降堿技術會在不同程度上影響其力學性能。

我國許多學者廣泛研究了孔隙率、降堿工藝和制備工藝等相關內容，如全洪珠等通過設置27%、30%、33%目標孔隙率和3種水膠比以及單一骨料粒徑10~25mm變量，計算確定了各目標孔隙率和水膠比下的強度標準差，結果發現植草混凝土強度受水膠比的影響隨目標孔隙率的增大而減小，33%孔隙率下的28d強度標準差為0.48，并且植草混凝土28d強度受目標孔隙率的影響高于水膠比；謝非等設計100%、70%、50%、30%、0%天然骨料替代率和20%、25%、30%不同孔隙率制備植草混凝土，結果發現孔隙率相同時試件的抗壓強度隨天然骨料替代率的增加逐漸增大，隨孔隙率的增大逐漸減小；謝清華等按照1:1:1的比例用降堿溶液NH4HPO4、KH2PO4、NH3HCO3配制成3%、2%、1%、0.5%、0%的復合降堿溶液，結果表明隨著復合降堿溶液的加入植草混凝土強度有所增大，增幅為6%~8%，這可能與降堿溶液與水化產物氫氧化鈉反應生成難溶性的磷酸鈣和碳酸鈣填充內部孔隙，使得整體密實度提高有關；廖文宇等研究認為在不影響植草混凝土強度的情況下，摻入一定外加劑和快速碳化均可以具有較好的降堿效果，摻5%~6%外加劑時的增強效果最優，經快速碳化后表層混凝土pH接近于中性，并且碳化作用反而會使強度小幅提升；吳磊等對比分析了拌合工藝對植草混凝土強度的影響，結果發現兩次拌合法可以在一定程度上提高抗壓強度，但其增強效果低于水泥裹石法；蔣正武等對比了水泥裹石法和一次給料法兩種攪拌工藝對植草混凝土的影響，結果發現水泥裹石法對于抗壓強度的提升效果明顯高于一次給料法[2-7]。鑒于此，文章結合相關研究成果初步探討了植草混凝土制備原理，通過設計多種配合比方案探討了各因素對植草混凝土抗折、抗壓、抗沖刷強度以及孔隙率等性能的影響，并結合試驗數據提出最優配合比，采用該配合比進行植生試驗，驗證在中小河流生態護坡治理中該配合比方案的可行性和有效性。

1 植草護坡混凝土試驗方法

1.1 配合比設計

研究選用抗折、抗壓、抗沖刷強度以及孔隙率等指標反映植草混凝土的工作性能，通過一系列試驗分析優化設計植草混凝土的材料組成、植被工藝及其配合比設計[8]。孔隙率的增加會降低強度，文章結合各指標之間存在的彼此制約、相互影響關系，綜合考慮多個因素進行配合比方案設計，如表1所示。

表1 植草護坡混凝土配合比

1.2 性能測試方法

植草混凝土主要是利用化學外加劑、礦物摻合料、砂石、水泥和水等材料，經均勻攪拌制成的一種能夠滿足防洪抗沖和植物生長所需養分的多孔混凝土，一般需要測試其力學性能和孔隙率。將膠凝材料、水砂石等原材料按照設計配合比均勻混合攪拌后倒出，采用300mm×100mm×100mm、120mm×120mm×120mm試模制備試件，標養28d后測定各組抗折、抗壓、抗沖刷強度以及孔隙率。其中，孔隙率是反映植草混凝土透水性和植生性的主要參數，又可進一步細分成有效孔隙率N1和全孔隙率N2。

采用體積法測定有效孔隙率N1，先將標養28d的120mm×120mm×120mm植草混凝土體積標記成V0，在量筒中倒入一定體積的水記錄為V1，然后在量筒中放入試塊讀取其數值記錄體積V2，并采用下式計算有效孔隙率N1，即[9-10]：

采用稱量法測定全孔隙率N2，在烘箱中放入試塊恒溫(60℃)烘干24h，在干燥器中自然冷卻至室溫稱取試塊質量M，采用下式計算權全孔隙率N2，即：

式中：V0、ρi代表試塊的體積(cm2)和理論密度；M、N2代表試塊的干重(g)和全孔隙率(%)。

2 試驗結果與分析

2.1 膠凝漿體加入量的影響

試驗測定植生混凝土孔隙率、28d抗折和抗壓強度見表2，結果表明在目標孔隙率相同情況下，植草混凝土實測孔隙率隨膠材漿體量的增大而減小。目標孔隙率為20%條件下，膠材漿體量為655.88kg、680.66kg、752.88kg時所對應的實測孔隙率分別為19.5%、18.8%、18.2%，相應的28d抗壓強度分別為11.6MPa、12.7MPa、14.1MPa，符合生態護坡強度要求。目標孔隙率25%條件下，實測與目標孔隙率相差較小，但28d抗壓強度明顯下降，不滿足生態護坡強度要求。

表2 植草護坡混凝土性能測試結果

2.2 含砂率對強度的影響

不同含砂率對強度的影響，如圖1所示。

圖1 不同含砂率對強度的影響

從圖1可以看出，植草混凝土強度隨含砂率的增加逐漸增大，究其原因是細骨料的加入可以在一定程度上提高拌合物維勃稠度，增大粗骨料之間的點、面接觸點及其表面膠凝漿體膜厚度，從而提高植草混凝土整體強度，因此摻入一定細骨料可以提高試件強度，但細骨料加入量不宜過高，否則會增大基體密實度難以達到預期的濾水保土效果，結合工程實踐經驗和相關數據提出含砂率不宜超過12%~15%[11-12]。

2.3 實測孔隙率對強度的影響

實測孔隙率對強度的影響，如圖2所示。

圖2 實測孔隙率對強度的影響

從圖2可以看出，增大實際孔隙率植草混凝土強度總體呈波動下降趨勢，植草混凝土強度在實測孔隙率處于19.8%~24.1%范圍時降幅較小，這是因為實際孔隙率的增加會在一定程度上減小膠凝漿體加入量，內部的骨料膠結面積也隨之減小，從而使得整體強度有所下降。

2.4 確定最優配合比

根據以上配合比和試驗數據分析結果，經適當調整研究提出植草混凝土最佳配合比，如表3所示。

表3 植草護坡混凝土最優配合比

2.5 植生性能分析

充分考慮植物生長和中小河流生態護坡對植草混凝土孔隙率及強度的要求[13-14]，研究選用表3中的最優配合比制備植草混凝土。為對比分析植草混凝土中不同草種的生長狀況，試驗選用馬尼拉和高羊茅草種進行植生性能試驗，種植材料選用天然土壤，適生材料選用草木灰與長效復合肥按一定比例混合而成的材料，不同生長天數的馬尼拉和高羊茅莖葉長度測試結果如圖3所示。

圖3 不同含砂率對強度的影響

從圖3可以看出，生長天數不超過30d時，植草混凝土厚度與播種草種的生長情況不存在直接關系，這表明環境因素對前期草種生長的影響較低，種子自身提供了其生長所需的養分和水分，隨著試塊厚度的增厚和生長天數的增加，馬尼拉和高羊茅莖葉長度逐漸增大，這表明周圍環境因素對后期植物生長的影響較顯著，植草混凝土厚度越大就越有利于植物吸收土壤中的養分和水分，更好地滿足植物生長需求。

3 結 論

文章結合植草護坡混凝土特點初步探討了其各種性能測試和制備方法，通過分析各因素對植草混凝土抗折、抗壓強度及孔隙率等性能的影響提出最優配合比，采用最優配合比和植生試驗模擬河流生態護岸實際工程中的性能，主要結論如下：

1）目標孔隙率相同情況下，植草混凝土實測孔隙率隨膠材漿體量的增大而減小，其強度隨含砂率的增加逐漸增大，這是因為細骨料的加入可以在一定程度上增大拌合物維勃稠度、粗骨料之間的點面接觸點以及表面膠凝漿體膜厚度，提高植草混凝土整體強度，但細骨料加入量不宜過高，結合工程實踐經驗和相關數據提出含砂率不宜超過12%~15%。

2）采用最優配合比配制的植草混凝土可以滿足植物生長需求，通過內部孔隙植物根系能夠扎根于里層土壤吸收養分和水分，實現了植草混凝土與植物根系的有機結合。植生試驗表明，該配合比可以滿足中小河流生態護坡有關要求，研究成果為中小河流生態治理中植草混凝土方案設計及其應用提供一定技術支持。